Nürnberg, University, Diss., 2006--Erlangen.

Die steigenden Anforderungen an eingebettete Systeme bewirken eine stetig steigende Komplexität sowohl der Hardware- als auch der Softwarekomponenten eines solchen Systems. Zunehmend werden auch im Embedded-Bereich 32-Bit- Mikrocontroller und Echtzeitbetriebssysteme eingesetzt. Entwickler benötigen daher eine geeignete Emulationsumgebung für den Entwurf eines eingebetteten Systems. Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung des Laufzeit- verhaltens von Echtzeitbetriebssystemen. Es werden Leistungsbeschränkungen dieser Systeme dargestellt sowie Möglichkeiten zur Umgehung dieser Schranken behandelt.

Der Markt tragbarer Geräte gewinnt eine immer stärkere Bedeutung. Mobiltelefone, PDAs (Personal Digital Assistant), Smartphones und viele weitere Geräte werden kontinuierlich mit neuen Funktionen ausgestattet und übernehmen zunehmend klassische Aufgaben eines Personal Computers (PC), wie beispielsweise die Textverarbeitung oder die Ausführung multimedialer Anwendungen. Speziell letztere stellen an die Geräte hohe Anforderungen, die sich nicht allein durch den Einsatz leistungsstärkerer Prozessoren lösen lassen. Nicht selten werden deshalb für rechenaufwendige Arbeiten Chips zur Umsetzung der speziellen Anforderungen in Hardware eingesetzt. Diese werden als Application Specific Integrated Circuit (ASIC) bezeichnet.

Die komponentenbasierten Softwareentwicklung verspricht die vereinfachte Entwicklung von komplexen Anwendungen. Um die Wiederverwendbarkeit zu verbessern und die Flexibilität zu erhöhen, müssen Komponenten dazu möglichst an verschiedene Umgebungsbedingungen angepasst werden können, sowohl innerhalb einer als auch in unterschiedlichen Anwendungen. Diese Prozesse werden als Komponentenadaption bezeichnet. In dieser Arbeit wird ein neues Adaptionskonzept für Komponenten entwickelt. Die sogenannten Adaptierbare Komponenten verwenden ein hierarchisches Komponentenmodell und werden aus einer Menge von Subkomponenten zusammengesetzt. Die Kernidee zur Umsetzung der Adaptivität besteht darin, bestimmte Parameterwerte einer Adaptierbaren Komponente auf unterschiedliche interne Konfigurationen der Subkomponenten abzubilden. Zur Beschreibung der möglichen internen Konfigurationen von Adaptierbaren Komponenten werden vier verschiedene graphische Modellierungstechniken entwickelt, die alle auf der graphischen Notation von UML-Komponentendiagrammen basieren und diese erweitern. Eine sogenannte Parameterabbildung definiert die Zuordnung von Parameterwerten auf bestimmte Konfigurationen. Die Konzepte Adaptierbarer Komponenten setzen keine neue Komponentenplattform voraus, sondern werden durch eine Kombination von Modelltransformation und spezieller Laufzeitunterstützung auf existierende Komponentenplattformen abgebildet. Ein dazu entwickeltes generisches Verfahren definiert die Schritte zur Unterstützung einer neuen Komponentenplattform. Mit Hilfe von zwei Fallstudien wird gezeigt, dass sich die Modellierungskonzepte von Adaptierbaren Komponenten für komplexe Beispiele anwenden lassen. Mit EJB, JavaBeans und Microsoft COM wird die Modelltransformation und Laufzeitunterstützung anhand des generischen Verfahrens exemplarisch für populäre Komponentenplattformen demonstriert.

Die komponentenbasierten Softwareentwicklung verspricht die vereinfachte Entwicklung von komplexen Anwendungen. Um die Wiederverwendbarkeit zu verbessern und die Flexibilität zu erhöhen, müssen Komponenten dazu möglichst an verschiedene Umgebungsbedingungen angepasst werden können, sowohl innerhalb einer als auch in unterschiedlichen Anwendungen. Diese Prozesse werden als Komponentenadaption bezeichnet. In dieser Arbeit wird ein neues Adaptionskonzept für Komponenten entwickelt. Die sogenannten Adaptierbare Komponenten verwenden ein hierarchisches Komponentenmodell und werden aus einer Menge von Subkomponenten zusammengesetzt. Die Kernidee zur Umsetzung der Adaptivität besteht darin, bestimmte Parameterwerte einer Adaptierbaren Komponente auf unterschiedliche interne Konfigurationen der Subkomponenten abzubilden. Zur Beschreibung der möglichen internen Konfigurationen von Adaptierbaren Komponenten werden vier verschiedene graphische Modellierungstechniken entwickelt, die alle auf der graphischen Notation von UML-Komponentendiagrammen basieren und diese erweitern. Eine sogenannte Parameterabbildung definiert die Zuordnung von Parameterwerten auf bestimmte Konfigurationen. Die Konzepte Adaptierbarer Komponenten setzen keine neue Komponentenplattform voraus, sondern werden durch eine Kombination von Modelltransformation und spezieller Laufzeitunterstützung auf existierende Komponentenplattformen abgebildet. Ein dazu entwickeltes generisches Verfahren definiert die Schritte zur Unterstützung einer neuen Komponentenplattform. Mit Hilfe von zwei Fallstudien wird gezeigt, dass sich die Modellierungskonzepte von Adaptierbaren Komponenten für komplexe Beispiele anwenden lassen. Mit EJB, JavaBeans und Microsoft COM wird die Modelltransformation und Laufzeitunterstützung anhand des generischen Verfahrens exemplarisch für populäre Komponentenplattformen demonstriert.

Die Entwicklung von Telekommunikationsnetzwerken unterliegt einer Reihe von Herausforderungen. Hohe Komplexität, hohe Bandbreite mit veränderlichen Anforderungen, kurze Entwicklungszyklen und sich ständig ändernde Marktanforderungen sind verbunden mit sich immer schneller ändernden Standards. Daraus resultieren hohe Risiken für die Entwicklung von Kommunikationslösungen. Die Kombination von rekonfigurierbaren und ASIC-Technologien bietet eine Möglichkeit, die Vorteile der ASICTechnologie weitestgehend zu erhalten und dem Risiko von Standardänderungen und Designfehlern zu begegnen. Dieser Beitrag stellt anhand eines Ethernet-verarbeitenden SoC eine Möglichkeit vor, paketorientierte Netzwerkknoten hinsichtlich zukünftiger Änderungen flexibel zu implementieren. Der Netzwerkknoten kann über spezielle Ethernet-Pakete rekonfiguriert und somit an geänderte Anforderungen angepasst werden.

Prozesse, seien es Geschäfts- oder Produktionsprozesse, sind ständigen Änderungen unterworfen. Für Unternehmen gilt es, sich im Rahmen von Geschäftsprozessen immer wieder neuen Marktgegebenheiten, Gesetzen oder Kunden anzupassen. Auch Produktionsprozesse müssen bspw. für die Verarbeitung neuer Materialien zugeschnitten werden. Die vorliegende Arbeit beschreibt deshalb, einen umfassenden Ansatz für den Umgang mit Änderungen bzw. Rekonfigurationen von Workflows zu entwickeln. Dieser zeichnet sich durch zwei Schwerpunkte aus: (1) Vollständige Rekonfiguration aller Workflowperspektiven und (2) eine reflexive autonome Steuerung der Rekonfigurationen.

Partial dynamic reconfiguration of FPGAs has attracted high attention from both academia and industry in recent years. With this technique, the functionality of the programmable devices can be adapted at runtime to changing requirements. The approach allows designers to use FPGAs more efficiently: E. g. FPGA resources can be time-shared between different functions and the functions itself can be adapted to changing workloads at runtime. Thus partial dynamic reconfiguration enables a unique combination of software-like flexibility and hardware-like performance. Still there exists no common understanding on how to assess the overhead introduced by partial dynamic reconfiguration. This dissertation presents a new cost model for both the runtime and the memory overhead that results from partial dynamic reconfiguration. It is shown how the model can be incorporated into all stages of the design optimization for reconfigurable hardware. In particular digital circuits can be mapped onto FPGAs such that only small fractions of the hardware must be reconfigured at runtime, which saves time, memory, and energy. The design optimization is most efficient if it is applied during high level synthesis. This book describes how the cost model has been integrated into a new high level synthesis tool. The tool allows the designer to trade-off FPGA resource use versus reconfiguration overhead. It is shown that partial reconfiguration causes only small overhead if the design is optimized with regard to reconfiguration cost. A wide range of experimental results is provided that demonstrates the benefits of the applied method. / Partielle dynamische Rekonfiguration von FPGAs hat in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf sich gezogen. Die Technik erlaubt es, die Funktionalität von progammierbaren Bausteinen zur Laufzeit an veränderte Anforderungen anzupassen. Dynamische Rekonfiguration erlaubt es Entwicklern, FPGAs effizienter einzusetzen: z.B. können Ressourcen für verschiedene Funktionen wiederverwendet werden und die Funktionen selbst können zur Laufzeit an veränderte Verarbeitungsschritte angepasst werden. Insgesamt erlaubt partielle dynamische Rekonfiguration eine einzigartige Kombination von software-artiger Flexibilität und hardware-artiger Leistungsfähigkeit. Bis heute gibt es keine Übereinkunft darüber, wie der zusätzliche Aufwand, der durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird, zu bewerten ist. Diese Dissertation führt ein neues Kostenmodell für Laufzeit und Speicherbedarf ein, welche durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird. Es wird aufgezeigt, wie das Modell in alle Ebenen der Entwurfsoptimierung für rekonfigurierbare Hardware einbezogen werden kann. Insbesondere wird gezeigt, wie digitale Schaltungen derart auf FPGAs abgebildet werden können, sodass nur wenig Ressourcen der Hardware zur Laufzeit rekonfiguriert werden müssen. Dadurch kann Zeit, Speicher und Energie eingespart werden. Die Entwurfsoptimierung ist am effektivsten, wenn sie auf der Ebene der High-Level-Synthese angewendet wird. Diese Arbeit beschreibt, wie das Kostenmodell in ein neuartiges Werkzeug für die High-Level-Synthese integriert wurde. Das Werkzeug erlaubt es, beim Entwurf die Nutzung von FPGA-Ressourcen gegen den Rekonfigurationsaufwand abzuwägen. Es wird gezeigt, dass partielle Rekonfiguration nur wenig Kosten verursacht, wenn der Entwurf bezüglich Rekonfigurationskosten optimiert wird. Eine Anzahl von Beispielen und experimentellen Ergebnissen belegt die Vorteile der angewendeten Methodik.

Partial dynamic reconfiguration of FPGAs has attracted high attention from both academia and industry in recent years. With this technique, the functionality of the programmable devices can be adapted at runtime to changing requirements. The approach allows designers to use FPGAs more efficiently: E. g. FPGA resources can be time-shared between different functions and the functions itself can be adapted to changing workloads at runtime. Thus partial dynamic reconfiguration enables a unique combination of software-like flexibility and hardware-like performance. Still there exists no common understanding on how to assess the overhead introduced by partial dynamic reconfiguration. This dissertation presents a new cost model for both the runtime and the memory overhead that results from partial dynamic reconfiguration. It is shown how the model can be incorporated into all stages of the design optimization for reconfigurable hardware. In particular digital circuits can be mapped onto FPGAs such that only small fractions of the hardware must be reconfigured at runtime, which saves time, memory, and energy. The design optimization is most efficient if it is applied during high level synthesis. This book describes how the cost model has been integrated into a new high level synthesis tool. The tool allows the designer to trade-off FPGA resource use versus reconfiguration overhead. It is shown that partial reconfiguration causes only small overhead if the design is optimized with regard to reconfiguration cost. A wide range of experimental results is provided that demonstrates the benefits of the applied method.:1 Introduction 1 1.1 Reconfigurable Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Reconfigurable System on a Chip (RSOC) . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Anatomy of an Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 RSOC Design Characteristics and Trade-offs . . . . . . . . . . . 7 1.2 Classification of Reconfigurable Architectures . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Partial Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Runtime Reconfiguration (RTR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3 Multi-Context Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.4 Fine-Grain Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.5 Coarse-Grain Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 Reconfigurable Computing Specific Design Issues . . . . . . . . . . . . 12 1.4 Overview of this Dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Reconfigurable Computing Systems – Background 17 2.1 Examples for RSOCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Partially Reconfigurable FPGAs: Xilinx Virtex Device Family . . . . . . 20 2.2.1 Virtex-II/Virtex-II Pro Logic Architecture . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.2 Reconfiguration Architecture and Reconfiguration Control . . 21 2.3 Methods for Design Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Behavioural Design Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.2 Design Entry at Register-Transfer Level (RTL) . . . . . . . . . . 25 2.3.3 Xilinx Early Access Partial Reconfiguration Design Flow . . . . 26 2.4 Task Management in Reconfigurable Computing . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.1 Online and Offline Task Management . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.2 Task Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.3 Task Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.4 Reconfiguration Runtime Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5 Configuration Data Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.6 Evaluation of Reconfigurable Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.1 Energy Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.2 Area Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6.3 Runtime Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.7 Similarity Based Reduction of Reconfiguration Overhead . . . . . . . . 38 2.7.1 Configuration Data Generation Methods . . . . . . . . . . . . . 39 2.7.2 Device Mapping Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.7.3 Circuit Design Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.7.4 Model for Partial Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.8 Contributions of this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3 Runtime Reconfiguration Cost and Optimization Methods 47 3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2 Reconfiguration State Graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.1 Reconfiguration Time Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2 Dynamic Configuration Data Overhead . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3 Configuration Cost at Bitstream Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4 Configuration Cost at Structural Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4.2 Virtual Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.4.3 Reconfiguration Costs in the VA Context . . . . . . . . . . . . . 65 3.5 Allocation Functions with Minimal Reconfiguration Costs . . . . . . . 67 3.5.1 Allocation of Node Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.2 Direct Allocation of Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5.3 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4 Implementation Tools for Reconfigurable Computing 95 4.1 Mapping of Netlists to FPGA Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.1.1 Mapping to Device Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.1.2 Connectivity Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.1.3 Mapping Variants and Reconfiguration Costs . . . . . . . . . . . 100 4.1.4 Mapping of Circuit Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.1.5 Global Interconnect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.1.6 Netlist Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2 Mapping Aware Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.1 Generalized Node Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.2 Successive Node Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.2.3 Node Allocation with Ant Colony Optimization . . . . . . . . . 107 4.2.4 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3 Netlist Mapping with Minimized Reconfiguration Cost . . . . . . . . . 110 4.3.1 Mapping Database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.2 Mapping and Packing of Elements into Logic Blocks . . . . . . 112 4.3.3 Logic Element Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.3.4 Logic Element Selection for Min. Routing Reconfiguration . . 115 4.3.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5 High-Level Synthesis for Reconfigurable Computing 125 5.1 Introduction to HLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1.1 HLS Tool Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1.2 Realization of the Hardware Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.2 New Concepts for Task-based Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . 131 5.2.1 Multiple Hardware Tasks in one Reconfigurable Module . . . . 132 5.2.2 Multi-Level Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.3 Resource Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3 Datapath Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.3.1 Task Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.3.2 Resource Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3.3 Resource Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3.4 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.3.5 Constraints for Scheduling and Resource Binding . . . . . . . . 151 5.4 Reconfiguration Optimized Datapath Implementation . . . . . . . . . . 153 5.4.1 Effects of Scheduling and Binding on Reconfiguration Costs . 153 5.4.2 Strategies for Resource Type Binding . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.4.3 Strategies for Resource Instance Binding . . . . . . . . . . . . . 157 5.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 5.5.1 Summary of Binding Methods and Tool Setup . . . . . . . . . . 163 5.5.2 Cost Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.5.3 Implementation Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 5.5.4 Benchmark Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.5.5 Benchmark Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.5.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6 Summary and Outlook 185 Bibliography 189 A Simulated Annealing 201 / Partielle dynamische Rekonfiguration von FPGAs hat in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit von Wissenschaft und Industrie auf sich gezogen. Die Technik erlaubt es, die Funktionalität von progammierbaren Bausteinen zur Laufzeit an veränderte Anforderungen anzupassen. Dynamische Rekonfiguration erlaubt es Entwicklern, FPGAs effizienter einzusetzen: z.B. können Ressourcen für verschiedene Funktionen wiederverwendet werden und die Funktionen selbst können zur Laufzeit an veränderte Verarbeitungsschritte angepasst werden. Insgesamt erlaubt partielle dynamische Rekonfiguration eine einzigartige Kombination von software-artiger Flexibilität und hardware-artiger Leistungsfähigkeit. Bis heute gibt es keine Übereinkunft darüber, wie der zusätzliche Aufwand, der durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird, zu bewerten ist. Diese Dissertation führt ein neues Kostenmodell für Laufzeit und Speicherbedarf ein, welche durch partielle dynamische Rekonfiguration verursacht wird. Es wird aufgezeigt, wie das Modell in alle Ebenen der Entwurfsoptimierung für rekonfigurierbare Hardware einbezogen werden kann. Insbesondere wird gezeigt, wie digitale Schaltungen derart auf FPGAs abgebildet werden können, sodass nur wenig Ressourcen der Hardware zur Laufzeit rekonfiguriert werden müssen. Dadurch kann Zeit, Speicher und Energie eingespart werden. Die Entwurfsoptimierung ist am effektivsten, wenn sie auf der Ebene der High-Level-Synthese angewendet wird. Diese Arbeit beschreibt, wie das Kostenmodell in ein neuartiges Werkzeug für die High-Level-Synthese integriert wurde. Das Werkzeug erlaubt es, beim Entwurf die Nutzung von FPGA-Ressourcen gegen den Rekonfigurationsaufwand abzuwägen. Es wird gezeigt, dass partielle Rekonfiguration nur wenig Kosten verursacht, wenn der Entwurf bezüglich Rekonfigurationskosten optimiert wird. Eine Anzahl von Beispielen und experimentellen Ergebnissen belegt die Vorteile der angewendeten Methodik.:1 Introduction 1 1.1 Reconfigurable Computing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.1.1 Reconfigurable System on a Chip (RSOC) . . . . . . . . . . . . 4 1.1.2 Anatomy of an Application . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 RSOC Design Characteristics and Trade-offs . . . . . . . . . . . 7 1.2 Classification of Reconfigurable Architectures . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.1 Partial Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.2 Runtime Reconfiguration (RTR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.2.3 Multi-Context Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.4 Fine-Grain Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2.5 Coarse-Grain Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.3 Reconfigurable Computing Specific Design Issues . . . . . . . . . . . . 12 1.4 Overview of this Dissertation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 Reconfigurable Computing Systems – Background 17 2.1 Examples for RSOCs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2 Partially Reconfigurable FPGAs: Xilinx Virtex Device Family . . . . . . 20 2.2.1 Virtex-II/Virtex-II Pro Logic Architecture . . . . . . . . . . . . . 20 2.2.2 Reconfiguration Architecture and Reconfiguration Control . . 21 2.3 Methods for Design Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3.1 Behavioural Design Entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3.2 Design Entry at Register-Transfer Level (RTL) . . . . . . . . . . 25 2.3.3 Xilinx Early Access Partial Reconfiguration Design Flow . . . . 26 2.4 Task Management in Reconfigurable Computing . . . . . . . . . . . . . 27 2.4.1 Online and Offline Task Management . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.2 Task Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.4.3 Task Placement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 2.4.4 Reconfiguration Runtime Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.5 Configuration Data Compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.6 Evaluation of Reconfigurable Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.1 Energy Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 2.6.2 Area Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.6.3 Runtime Efficiency Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 2.7 Similarity Based Reduction of Reconfiguration Overhead . . . . . . . . 38 2.7.1 Configuration Data Generation Methods . . . . . . . . . . . . . 39 2.7.2 Device Mapping Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 2.7.3 Circuit Design Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.7.4 Model for Partial Configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.8 Contributions of this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3 Runtime Reconfiguration Cost and Optimization Methods 47 3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.2 Reconfiguration State Graph . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 3.2.1 Reconfiguration Time Overhead . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 3.2.2 Dynamic Configuration Data Overhead . . . . . . . . . . . . . . 52 3.3 Configuration Cost at Bitstream Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.4 Configuration Cost at Structural Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.4.1 Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.4.2 Virtual Architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.4.3 Reconfiguration Costs in the VA Context . . . . . . . . . . . . . 65 3.5 Allocation Functions with Minimal Reconfiguration Costs . . . . . . . 67 3.5.1 Allocation of Node Pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 3.5.2 Direct Allocation of Nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 3.5.3 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4 Implementation Tools for Reconfigurable Computing 95 4.1 Mapping of Netlists to FPGA Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.1.1 Mapping to Device Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 4.1.2 Connectivity Transformations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 4.1.3 Mapping Variants and Reconfiguration Costs . . . . . . . . . . . 100 4.1.4 Mapping of Circuit Macros . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 4.1.5 Global Interconnect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 4.1.6 Netlist Hierarchy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2 Mapping Aware Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 4.2.1 Generalized Node Mapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 4.2.2 Successive Node Allocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 4.2.3 Node Allocation with Ant Colony Optimization . . . . . . . . . 107 4.2.4 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 4.3 Netlist Mapping with Minimized Reconfiguration Cost . . . . . . . . . 110 4.3.1 Mapping Database . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 4.3.2 Mapping and Packing of Elements into Logic Blocks . . . . . . 112 4.3.3 Logic Element Selection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 4.3.4 Logic Element Selection for Min. Routing Reconfiguration . . 115 4.3.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 4.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123 5 High-Level Synthesis for Reconfigurable Computing 125 5.1 Introduction to HLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1.1 HLS Tool Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.1.2 Realization of the Hardware Tasks . . . . . . . . . . . . . . . . . 128 5.2 New Concepts for Task-based Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . 131 5.2.1 Multiple Hardware Tasks in one Reconfigurable Module . . . . 132 5.2.2 Multi-Level Reconfiguration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.2.3 Resource Sharing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138 5.3 Datapath Synthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.3.1 Task Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 5.3.2 Resource Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3.3 Resource Binding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142 5.3.4 Scheduling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 5.3.5 Constraints for Scheduling and Resource Binding . . . . . . . . 151 5.4 Reconfiguration Optimized Datapath Implementation . . . . . . . . . . 153 5.4.1 Effects of Scheduling and Binding on Reconfiguration Costs . 153 5.4.2 Strategies for Resource Type Binding . . . . . . . . . . . . . . . 154 5.4.3 Strategies for Resource Instance Binding . . . . . . . . . . . . . 157 5.5 Experiments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 5.5.1 Summary of Binding Methods and Tool Setup . . . . . . . . . . 163 5.5.2 Cost Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165 5.5.3 Implementation Scenarios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 5.5.4 Benchmark Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168 5.5.5 Benchmark Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 5.5.6 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174 5.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 6 Summary and Outlook 185 Bibliography 189 A Simulated Annealing 201

Ausgehend von einer modularen Plattform zur Erfassung und Verarbeitung von Sensordaten bereichert die vorliegende Dissertationsschrift den Systementwurf eingebetteter Systeme um neue Facetten. Ihr besonderer Fokus liegt dabei auf rekonfigurierbaren Architekturen und Linux-basierten Systemen. Ein wesentlicher Beitrag ist die Darstellung und Diskussion von Konzepten und Architekturen vorgenannter Systeme durch ihre Betrachtung auf einer hohen Abstraktionsebene. Dazu schafft die Arbeit ein umfassendes Verständnis für Kommunikation und Konfiguration in heterogenen rekonfigurierbaren Systemen und überträgt die Erkenntnisse auf das Linux-Betriebssystem. Es erfolgt außerdem eine systematische Darstellung der etablierten Zusammenhänge und Abläufe beim Software-, Paket- und Versionsmanagement im Linux-Umfeld. Zur Verbesserung des Entwurfsflusses werden Konzepte und ein geeignetes Werkzeug zur High-Level Spezifikation von Linux-Systemen dargestellt. Die in der Arbeit gewonnenen wissenschaftlichen Erkenntnisse werden hinsichtlich praktischer Relevanz evaluiert und durch prototypische Implementierungen verifiziert. / Based on a modular platform for recording and processing of sensor data the present thesis enriches the field of system design of embedded systems with new facets. Its particular focus is on reconfigurable architectures and Linux-based systems. A major contribution is the presentation and discussion of concepts and architectures of aforementioned systems by investigating them on a high level of abstraction. To achieve this, the work creates a comprehensive understanding of communication and configuration in heterogeneous reconfigurable systems. This knowledge is transferred on the Linux operating system. In addition, a systematic presentation of the established relationships and processes in software, package and version management in the Linux environment takes place. To improve the design flow of Linux systems, the thesis presents appropriate concepts as well as a tool for high-level specification of embedded Linux systems. The gained scientific findings are evaluated in terms of practical relevance and verified by prototype implementations.